超級(jí)電容在變電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用
中小型終端變電站使用的蓄電池直流屏，維護(hù)工作量大，蓄電池壽命短，國(guó)產(chǎn)超級(jí)電容已能做到30f-180f.用它來(lái)*替代蓄電池不在是夢(mèng)想。
[關(guān)鍵詞]直流屏，超級(jí)電容。
1、當(dāng)前變電站直流屏存在的問(wèn)題
在我國(guó)110kv、35kv、10kv終端變電站，以及廠用6kv配電系統(tǒng)，廣泛采用了蓄電池直流屏和硅整流電容儲(chǔ)能直流屏、作為操作、控制以及保護(hù)的電源。幾十年來(lái)，較多的產(chǎn)品在運(yùn)行中存在以下問(wèn)題：
1.1、鎘鎳蓄電池直流屏：
直流母線輸出220v時(shí)，一般由180只蓄電池組成。蓄電池在加工生產(chǎn)中不可能做到每只電池的充放電特性*一致，雖然生產(chǎn)廠家在出廠時(shí)進(jìn)行了匹配組合，到了用戶(hù)手中就沒(méi)有挑選的余地了。在使用中，用同一個(gè)充電電源，又向同一負(fù)荷放電，久而久之，個(gè)別電池由于特性差別越來(lái)越大，而影響整個(gè)裝置的性能。
鎘鎳蓄電池在運(yùn)行中，長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，充電機(jī)性能的好壞，直接影響電池的壽命。一般廠家承諾電池壽命大于10年，但在實(shí)際運(yùn)用中，往往只有3~5年。這是因?yàn)椋绻〕潆娏鬟^(guò)大，會(huì)使電解液中的水電解成氫和氧，這兩種氣體混合是危險(xiǎn)的爆炸氣體，如果通風(fēng)不良，有資料介紹，某無(wú)人值班變電站，曾發(fā)生直流屏爆炸的事故。
過(guò)充電還會(huì)使電池冒液。在電池外表及連接片上產(chǎn)生墨綠色氧化物，腐蝕構(gòu)件，降低絕緣，使自放電增加。過(guò)充還會(huì)產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，在負(fù)極板上生成氧化鎘，減少極板有效面積，容量減小，這就是俗稱(chēng)的“記憶”效應(yīng)。為了保持電池的容量，每年需對(duì)蓄電池進(jìn)行1~2次的“活化”試驗(yàn)，試驗(yàn)必須按生產(chǎn)廠家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)制度進(jìn)行充放電，才能保證電池的有效率。作為使用維護(hù)者來(lái)說(shuō)，是一個(gè)令人頭痛的事情。由于鎘鎳電池有較硬的放電特性曲線，放電量達(dá)到80時(shí)，電壓下降也不明顯。稍有疏忽，會(huì)造成電池過(guò)放電，出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)而報(bào)廢。由于直流屏是變電站設(shè)備中的重中之重，直接影響到變電站的安全運(yùn)行。在“安全工作重于泰山”的環(huán)境下，很多單位都將直流屏列入日常必檢項(xiàng)目進(jìn)行考核.
1.2、密封鉛酸蓄電池直流屏：
由于鎘鎳蓄電池維護(hù)量大，一種免維護(hù)密封鉛酸蓄電池，簡(jiǎn)稱(chēng)閥控蓄電池或vrla電池，開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。因?yàn)槭侨芊怆姵?，無(wú)須加水，這給維護(hù)帶來(lái)很多好處的同時(shí)，也給觀測(cè)和維護(hù)帶來(lái)困難。“免維護(hù)”這一名詞又給使用者帶來(lái)認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，導(dǎo)致使用者放松對(duì)蓄電池的日常維護(hù)管理。由于閥控蓄電池在我國(guó)問(wèn)世只有十年左右，至今還沒(méi)有成熟的制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。去年在深圳召開(kāi)的evc會(huì)議，匯集國(guó)內(nèi)蓄電池有關(guān)使用、制造的專(zhuān)家，總結(jié)了國(guó)內(nèi)閥控蓄電池的制造、運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)，達(dá)成如下共識(shí)：
(1).閥控蓄電池的壽命：
廠家說(shuō)明書(shū)將蓄電池的壽命標(biāo)注為10、15、20年，是過(guò)分夸大了。無(wú)論進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)電池，實(shí)際使用后都證實(shí)了這一點(diǎn)。因而在說(shuō)明書(shū)上標(biāo)稱(chēng)5年比較適當(dāng)；對(duì)于膠體蓄電池，如德國(guó)陽(yáng)光、銀彬方可用十年以上。另外廠家說(shuō)明書(shū)上標(biāo)注的壽命是有前提的，要在規(guī)定的運(yùn)行溫度，標(biāo)準(zhǔn)的充放電方式[包括負(fù)載大小]下運(yùn)行，實(shí)際上這些條件，只有在實(shí)驗(yàn)室才能達(dá)到。
(2).影響閥控蓄電池壽命主要有如下幾個(gè)因素：
a.閥控蓄電池壽命對(duì)溫度十分敏感
生產(chǎn)廠家要求電池運(yùn)行環(huán)境溫為15℃－25℃，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)25℃后，每升高10℃電池壽命就要縮短一半，例如：對(duì)5年期壽命的電池，當(dāng)環(huán)境溫度為35℃時(shí)，實(shí)際壽命只有2.5年，如果再升高10℃達(dá)到45℃時(shí)，其壽命只有約1.25年了。對(duì)于處在廣大的華中、華南地區(qū)來(lái)說(shuō)，全年平均氣溫超過(guò)25℃的時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)3個(gè)多月，加上安裝閥控蓄電池的配電室，為防小動(dòng)物入室，門(mén)窗都比較封閉，室內(nèi)溫度還要升高，對(duì)蓄電池的運(yùn)行極為不利。b.過(guò)度放電：蓄電池被過(guò)度放電是影響蓄電池使用壽命的另一重要因素。這種情況主要發(fā)生在交流停電或充電模塊損壞后，蓄電池組為負(fù)載供電期間。當(dāng)蓄電池被過(guò)度放電到輸出電壓為零時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部有大量的硫酸鉛被吸付到電池的陰極表面，形成電池陰極的“硫酸鹽化”。由于硫酸鉛本身是一種絕緣體，它的形成必將對(duì)電池的充、放電性能產(chǎn)生不好的影響。因此，在陰極板上形成的硫酸鹽越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的充、放電性能就越差，其使用壽命就越短。
(3).板柵的腐蝕與增長(zhǎng):.板柵腐蝕是影響蓄電池使用壽命的重要原因。在開(kāi)路狀態(tài)下，鉛合金與活性二氧化鉛直接接觸，而且共同浸在硫酸溶液中，它們各自與溶液建立不同的平衡電極電位。正極柵板不斷溶解，特別是在過(guò)充電狀態(tài)下，正極由于析氧反應(yīng)，水被消耗，h 增加，從而導(dǎo)致正極附近酸度增高，反柵腐蝕加速，如果電池使用不當(dāng)，長(zhǎng)期處于過(guò)充電狀態(tài)，那么電池的柵板就會(huì)變薄，容量降低，會(huì)縮短使用壽命。
(4).浮充電狀態(tài)對(duì)蓄電池使用壽命的影響：目前，蓄電池大多數(shù)都處于長(zhǎng)期的浮充電狀態(tài)下，只充電，不放電，這種工作狀態(tài)極不合理。大量運(yùn)行統(tǒng)計(jì)資料表明，這樣會(huì)造成蓄電池的陽(yáng)極極板鈍化，使蓄電池內(nèi)阻急劇增大，使蓄電池的實(shí)際容量(ah)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其標(biāo)準(zhǔn)容量，從而導(dǎo)致蓄電池所能提供的實(shí)際后備供電時(shí)間大大縮短，減少其使用壽命。
(5)失水：
蓄電池失水也是影響其使用壽命的因素之一，蓄電池失水會(huì)導(dǎo)致電解液比重增加，電池柵板的腐蝕，使蓄電池的活性物質(zhì)減少，從而使蓄電池的容量降低而導(dǎo)致其使用壽命減少。當(dāng)失水5.5％時(shí)，容量降到75％；失水達(dá)到25％時(shí)，容量基本消失。
1.3，電解電容儲(chǔ)能直流屏
二十世紀(jì)60-70年代，由于電解電容儲(chǔ)能直流系統(tǒng)，投資小，維護(hù)量小，在110kv以下小型變電站得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行暴露出一個(gè)致命的缺陷：由于儲(chǔ)能電容的容量只有數(shù)千微法，事故分閘的可靠性差。在全國(guó)范圍內(nèi)造成多起事故。目前，這類(lèi)直流系統(tǒng)面臨更新改造階段
2.超級(jí)電容用于直流屏的有關(guān)實(shí)驗(yàn)
針對(duì)以上直流屏存在的問(wèn)題，能不能有一個(gè)更好的方案來(lái)解決？現(xiàn)在，由哈爾濱巨容新能源有限公司.“超級(jí)電容器”，容量達(dá)30f-180f.用它來(lái)*取代蓄電池,將成為事實(shí)
它是一種專(zhuān)門(mén)用于儲(chǔ)能的特種電容，實(shí)現(xiàn)了電容量由微法向法拉級(jí)的飛躍，是一種理想的大功率物理電源。它不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)，壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上，用它來(lái)代替老式電容儲(chǔ)能硅整流直流屏，和蓄電池將產(chǎn)生革命性的進(jìn)步。
為了將超級(jí)電容這一成果，在變、配電站直流系統(tǒng)中的應(yīng)用，作進(jìn)一步研究，特作了如下一些實(shí)驗(yàn)：
超級(jí)電容標(biāo)稱(chēng)容量0.82f，耐壓280v，出廠編號(hào)0202027
2.1、用超級(jí)電容對(duì)斷路器合閘的試驗(yàn)：
實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：武漢市白沙洲水廠變電站615柜.高壓斷路器型號(hào)kyn—10—10ⅱ型
額定電壓：10kv，額定電流：1000a操作機(jī)構(gòu)型號(hào)cd—10ⅱ。合閘電壓直流220v，電流100a。
試驗(yàn)方法：模擬正常方式合閘，按下合閘接鈕，記錄合閘次數(shù)和電容端電壓，見(jiàn)下表：
合閘次數(shù)
電容端電壓v245240235230225220215210203197190
共合閘15次，每次都合閘成功，考慮到從第9次開(kāi)始電容端電壓已降至額定電壓-10以下，可靠性變差，合閘速度變慢，剔除不算，因而可作如下結(jié)論：
電容充電至 10額定電壓時(shí)，可對(duì)cd—ⅱ型電磁機(jī)構(gòu)可靠合閘大于8次，每次合閘使電容端電壓下降5v。
2.2、超級(jí)電容充電時(shí)間測(cè)試：
超級(jí)電容的初充電，如不加限流電阻，相當(dāng)于發(fā)生短路。生產(chǎn)廠家推薦使用1000w碘鎢燈作限流電阻，其冷態(tài)電阻較熱態(tài)電阻小近10倍，符合電容電壓上升后宜減小限流電阻的要求。以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)均是串入1000w碘鎢燈實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)。
用變電站直流電源充電：
時(shí)間（秒）03045556080120180
充電電流(a)4.532.521.810.20.05

2.3、超級(jí)電容自放電測(cè)試
將超級(jí)電容充至242v后，與負(fù)載*脫離，隔日同一時(shí)間測(cè)量電容端電壓記錄如下:
時(shí)間6月24日6月25日6月26日6月27日6月28日
電容端電壓v260233212194178.6
δv/h1.120.880.740.645
注：δv/h為電容端電壓下降速度，用下降電壓變化量除以小時(shí)。
小節(jié)：端電壓下降速度與是否經(jīng)過(guò)浮充有關(guān)，未經(jīng)浮充開(kāi)始幾個(gè)小時(shí)達(dá)2~3v/h，既每小時(shí)下降2~3v，經(jīng)過(guò)浮充半小時(shí)以后，自放電速度明顯變緩，可能是電容內(nèi)部電荷來(lái)不及分布均勻有關(guān)。在正常運(yùn)用時(shí)，超級(jí)電容處在長(zhǎng)期浮充狀態(tài)，*斷開(kāi)負(fù)載后可維持有效電壓達(dá)3天（72小時(shí)）。
4、帶經(jīng)常性負(fù)載的放電試驗(yàn)：
模擬當(dāng)電網(wǎng)失電后，由電容放電來(lái)維持直流母線電壓的試驗(yàn)。根據(jù)電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)中,關(guān)于直流系統(tǒng)控制母線電壓允許波動(dòng)范圍為85~110vn，vn=220v時(shí)，電壓波動(dòng)范圍為187v~242v。下面是母線電壓242v，電容放電至187v時(shí)，不同負(fù)載的維持時(shí)間的實(shí)測(cè)值。
容量30f的超級(jí)電容
經(jīng)常性負(fù)載（a）54321
維持母線電壓時(shí)間（分）11141827.54
小節(jié)：中小型變電站如將信號(hào)燈換成led節(jié)能燈后，控制母線電流一般小于2a，將保持30分鐘的跳合閘能力。在實(shí)際運(yùn)用中，將配備2只電容,一只為熱備用，另一只為冷備用.防止因雷擊,或電力系操作過(guò)電壓而造成的損壞.可將冷備用一套應(yīng)急投入.
2超級(jí)電容直流屏與蓄電池直流屏的性能對(duì)比
(1)、無(wú)任何種蓄電池都需要配置一套的，性能優(yōu)良的充放電裝置。這套裝置故障率相對(duì)較高，而用超級(jí)電容的直流屏可簡(jiǎn)化這套裝置，降低了故障率，使成本下降。
(2)、蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電都會(huì)縮短使用壽命，而超級(jí)電容不存在過(guò)充電、過(guò)放電的問(wèn)題，只需限制zui高充電電壓就行了。
(3)、蓄電池有較大的維護(hù)量，即便是免維護(hù)蓄電池，同樣需要維護(hù)；而超級(jí)電容只需定期檢測(cè)其容量是否下降就行了，做到了真正意義上的免維護(hù)。
(4)、蓄電池一旦過(guò)放電，要恢復(fù)其容量得充電數(shù)小時(shí)；而超級(jí)電容恢復(fù)到額定電壓，僅需幾分鐘。單只電容合閘后端電壓下降5v，數(shù)秒鐘即可復(fù)原。
(5)、電網(wǎng)停電后，直流屏依靠蓄電池放電來(lái)維持直流母線電壓，電池組的能量畢竟有限。停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使電池的能量放完，如不加限制，必然會(huì)導(dǎo)致電池組電壓下降到終止電壓以下而受損，甚至無(wú)法再充電而報(bào)廢。而超級(jí)電容當(dāng)電網(wǎng)停電后，在帶有經(jīng)常性負(fù)荷的情況下仍可保證近千次的跳閘和數(shù)百次合閘。這一點(diǎn)對(duì)具有綜合重合閘裝置和備用電源自動(dòng)投入裝置的中小型終端變電站足矣。
如果是母線短路，引起電網(wǎng)電壓過(guò)低，只要繼電保護(hù)能正確動(dòng)作，在短短的幾秒鐘內(nèi)，更能可靠的跳閘，事故跳閘后，沒(méi)有必要維持一定時(shí)間的直流供電。當(dāng)事故處理完畢后，電網(wǎng)恢復(fù)供電，在幾分鐘內(nèi)，又具有分、合閘能力了。

3由超級(jí)電容組成的零維護(hù)直流屏簡(jiǎn)介
為充分發(fā)揮超級(jí)電容的特點(diǎn)，而研制的新型直流屏，型號(hào)為：ped-wc01。該產(chǎn)品定位于110kv、35kv、10kv的中小型未端變電站以及企業(yè)內(nèi)部的6kv配電系統(tǒng)，要求經(jīng)常性負(fù)荷小于的場(chǎng)所。
該產(chǎn)品性?xún)r(jià)比較高，采用了當(dāng)今zui流行的新技術(shù)，選用日本tdk或abb公司生產(chǎn)的高頻開(kāi)關(guān)整流模塊。集成了電壓控制、電流控制，以及過(guò)程控制于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容恒流充電，達(dá)到額定電壓后，自動(dòng)轉(zhuǎn)為恒壓控制。，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值成套系統(tǒng)配置了plc 觸摸屏方式，并配有四遙接口，使維護(hù)工作量降至zui低，價(jià)格在同檔次的直流屏中也是zui低的。它是理想的變電站直流屏更新?lián)Q代班的產(chǎn)品